Bürstenlose Kleinstantrieben bewegen 5-Achs-CNC-Kompaktmodul

Ökologische Nische ausgefüllt

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Auch bei mechatronischen Komponenten geht heute, wo immer es möglich ist, der Trend zu kleineren, kompakten Teilen. Das spart Rohstoffe und Kosten. Aber auch die Produktion solcher Komponenten selbst birgt Einsparpotential. Eine neue, kompakte 5-Achsen-CNC-Maschine namens Kolibri erleichtert nun die Produktion komplexer Kleinteile. Trotz geringer Baugröße bietet die Anlage durch den Einsatz von bürstenlosen Kleinstantrieben alle Eigenschaften, die bisher nur größeren Anlagen vorbehalten waren.

Exklusiv in KEM Die Autoren: Andreas Zeiff ist Redakteur und Dietrich Homburg Inhaber des Redaktionsbüros Stutensee, Stutensee

Effizienz ist das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen. Große CNC-Zentren zur Produktion von Kleinteilen einzusetzen ist oft suboptimal, der Volksmund sagt „Mit Kanonen auf Spatzen schießen“. Hier setzt die Wegera Oy aus Oulunsalo in Finnland an. Sie bietet mit ihrer kompakten 5-Achsen-CNC-Anlage „Kolibri“ eine praxistaugliche Alternative für die Produktion auf kleiner Fläche. Für die nötige Präzision bei kleinsten Abmaßen arbeiteten die Entwickler mit dem Kleinantriebsexperten Faulhaber zusammen.
Schnellwechselmodule mit 200 W
Viele große Werkzeugmaschinen sind bei der Produktion von Kleinteilen überdimensioniert. Eine an die Anforderungen angepasste Fertigungsanlage erlaubt dagegen optimale Leistung bei überschaubaren Investitions- und Unterhaltskosten ohne Abstriche bei der Produktqualität. Die finnischen Bearbeitungsspezialisten gingen bei der Entwicklung von Kolibri von den üblichen Hauptanforderungen aus und erweiterten ihre CNC-Anlage durch modular nachrüstbare Optionen. So entstand ein anwendungsspezifisch skalierbares System, das sich sowohl für den Stand-alone-Betrieb eignet als auch für die Integration in eine Fertigungslinie.
Die Kolibri-Anlage gibt es in zwei Versionen: die Kolibri 500 und die größere Kolibri 750. Trotz der kompakten Abmessungen mit 500 beziehungsweise 750 mm x 740 mm x 910 mm (B x H x T), das entspricht etwa einem Drittel eines normalen Tisches, sind die Kleinbearbeitungszentren universell einsetzbar. Das abgedichtete System erlaubt eine umweltfreundliche Nebelschmierung. Die nötige Steuerungssoftware lässt sich mit Kabel oder kabellos via Ethernet laden. Bei Bedarf ist es möglich, die Anlage sogar mit einer Fernsteuerung über Ethernet auszustatten. Die fünf-Achsen Maschine kann mit einer sechsten Achse aufgerüstet werden und ist standardmäßig mit einer drehzahlgeregelten Spindel ausgestattet.
Für Anwendungen mit weniger hohen Ansprüchen stehen auch Versionen mit drei und vier Achsen zur Verfügung. Alle Maschinen haben einen Bearbeitungsbereich von X = 265/470 mm, Y = 420 mm und Z = 160 mm. Die A-Achse kann um ±120° geneigt werden, die C-Achse um n x 360° rotieren. Ein optionaler, automatischer Werkzeugwechsler (w) mit Stauraum für 22 Werkzeuge erlaubt einen schnellen Werkzeugaustausch ohne manuellen Eingriff. In diesem Fall ist die Anlage mit einem 1,8 kW/ 50 000 min-1 Spindelantrieb von Alfred Jäger ausgestattet mit einer HSK-E25 Werkzeugaufnahme.
Die bewährten bürstenlosen Kleinstantriebe von Faulhaber werden zum Antreiben der vierten und fünften Achse eingesetzt. Trotz des beschränkten Bauraums an dieser Stelle ist so ein langer effizienter Betrieb gesichert. Die patentierten Schnellwechselmodule für Achse vier und fünf konnten so mit jeweils zwei 200 W-Kleinstantrieben und zugehörigem Motion Controller ausgestattet werden. Ein weiterer Kleinstantrieb mit durchmesserkonformem Getriebe ist für den Antrieb des Werkzeugmagazins zuständig. Alle Motorfunktionen der Antriebe werden über Motion Controller angesteuert, das entlastet den eigentlichen CNC-Controller von der rechenintensiven Motoransteuerung.
Charakteristika von bürsten- losen DC-Servoantrieben
Bürstenlose DC-Servoantriebe glänzen durch hohe Lebensdauer und sehr gute Dynamik. Aus physikalischen Gründen sind sie kurzzeitig mit weit über der Nennleistung liegenden Werten überlastbar, das verbessert Beschleunigungs- wie Bremsvermögen zusätzlich. Da Kleinantriebe bauartbedingt ihre hohe Volumenleistung nur durch hohe Drehzahlen erreichen können, wird die nötige Drehzahl bei Bedarf über durchmesserkonforme Getriebevorsätze auf Anwendungsniveau gebracht. Das erhöht gleichzeitig sowohl das Drehmoment als auch die Auflösung an der Abtriebswelle, wenn ein Encoder auf der Motorwelle eingesetzt wird. Abgabeleistungen von über 200 W und mehr als 190 mNm bei nur etwa 40 mm Motordurchmesser sind bei einem Drehzahlniveau von rund 16 000 min-1 heute möglich. Benötigt man geringere Leistungen, bieten sich auch Motoren der 35-mm-Klasse an. Sie erreichen gute 90 W Abgabeleistung (50 mNm) an der Welle und lassen sich ebenfalls mit Getrieben an das erforderliche Drehzahlniveau anpassen. Die Untersetzungsbandbreite für die robusten, lebensdauergeschmierten Planeten-Vorsatzgetriebe mit Stahlzahnrädern reicht von 3,71 bis zu 1526 : 1 beziehungsweise bei den 40 mm-Getrieben von 4,8 bis 2548 : 1.
Anlagensteuerung ohne „Verwaltungsaufwand“
Die Antriebe werden alle über optimal abgestimmte Motion Controller angesteuert. So kann für jede Antriebsausführung die ideale Umsetzung der Steuerungsbefehle erreicht werden. Die 4-Quadranten-PWM-Controller arbeiten mit über 95 % Wirkungsgrad und entlasten die SPS beziehungsweise Anlagensteuerung vom „Verwaltungsaufwand“ für die Motorregelung. Zusätzlich bieten sie neben Drehzahlregelung, Positionierbetrieb oder vielfältigen Schutzfunktionen auch die Möglichkeit, eigenständig Drehzahlprofile an den Motor weiterzugeben. Daten werden über eine RS232-Schnittstelle eingelesen. Analoge Hallgebersignale, Inkremental- und Absolut-Encoder können je nach Motortyp ebenfalls ausgewertet werden. Für die einfache Programmierung steht ein umfangreicher ASCII-Befehlssatz zur Verfügung. Die Software „Faulhaber Motion Manager“ erleichtert die Programmierung durch übersichtliche graphische Darstellung und bietet einen leichten Einstieg in die Steuerungswelt der Kleinantriebe.
Moderne Kleinantriebe haben eine hohe Leistung aus kleinem Volumen bei sehr hoher Präzision. Als elektronisch kommutierter Antrieb erlauben sie den Einsatz auch in dynamischen Anwendungen bei langer Lebensdauer. Lebensdauergeschmierte Lager und Getriebevorsätze erleichtern die Wartung. Kurz gesagt die Kraftzwerge bieten heute praktisch alle Möglichkeiten, die auch bei größeren Antrieben angeboten werden und punkten zusätzlich mit Eigenschaften wie kurzzeitiger Überlastfähigkeit. Ihr Einsatzbereich ist daher nur von der Kreativität der Entwickler begrenzt und reicht von der Tiefsee über industrielle Anwendungen und Medizintechnik bis hin zum Weltraum.
Faulhaber; Telefon: 07031 638-148 ; E-Mail: kristina.rebmann@ faulhaber.de

Firmeninfo
Die Faulhaber-Gruppe mit ihren 1300 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 W Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motioncontroller. Vom Mikroantrieb mit 1,9 mm Durchmesser bis zum leistungsstarken 44 mm DC-Kleinmotor, kombinierbar mit verschiedenen Präzisionsgetrieben, bietet das Unternehmen zuverlässige Systemlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen.
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